Dynamische thermische simulatie (DTS) heeft de afgelopen jaren een grote vlucht genomen. Deze methode, die populair is bij een aantal milieulabels, zoals Sustainable Buildings, HQE en BREEAM, maakt het niet alleen mogelijk om het werkelijke verbruik zo dicht mogelijk te benaderen, maar ook om de gebouwschil en -systemen zo te ontwerpen dat het zomercomfort wordt verbeterd.
DTS blijft echter een model. Het is geen garantie voor onberispelijk thermisch comfort in werkelijkheid.
Tot de beschikbare tools behoren TRNSYS en IESVE, maar de module DTS van Pleiades wordt erkend als het meest gebruikte tool door ontwerpbureaus in Frankrijk.
In dit artikel richten we ons op deze DTS-software (dynamische thermische simulatie) van Izuba Energies om te laten zien hoe je er het beste uit kunt halen, specifiek met betrekking tot de problemen van plafondventilatoren en zomercomfort.
De afbeeldingen zijn van de update van oktober 2023. Oudere versies van de software zien er dus anders uit.
Voordat u onderstaande tekst leest, raden we u aan eerst onze publicatie te lezen: “Thermisch comfort in de zomer en luchtverplaatsers: kunnen we ons gevoel kwantificeren?“
Dit artikel is niet bedoeld als een alternatieve handleiding voor de documentatie van de uitgever van de Pleiades-software, maar eerder om informatie te geven die specifiek is voor plafondventilatoren in een DTS-context (dynamische thermische simulatie).
Tot slot zien we een toename in het gebruik van Computational Fluid Dynamics (CFD) modellering, waarmee luchtsnelheden met een hoge mate van nauwkeurigheid kunnen worden gesimuleerd. Deze techniek, die verschilt van DTS, is momenteel vrij duur. Het is voorbehouden aan een minderheid van projecten en wordt niet behandeld in de volgende publicatie.
Comfortparameters: welke invoergegevens?
Algemene gegevens
Het onderstaande diagram vat de invoergegevens samen voor de comfortanalyse, die we in blokken zullen onderzoeken.
Afbeelding 1: Overzicht van comfortparameters
Categorie Ambiance
Afbeelding 2: Categorieblok Milieu
Pleiades is gebaseerd op de normen EN 15251 (Criteria voor binnenomgevingen) en EN 7730 (Ergonomie van thermische omgevingen)[i]. De tool vraagt je eerst om een omgevingscategorie te kiezen.
De keuze van de ruimtecategorie bepaalt het maximale PPD- en PMV-niveau. Deze concepten voor het beoordelen van thermisch comfort worden beschreven in het artikel dat in de inleiding wordt aanbevolen.
Niveau I van de sfeercategorie is het meest veeleisend: het percentage ontevreden klanten is vastgesteld op 6%. Dit loopt op tot 10% voor niveau II en 15% voor niveau III.
Niveau II wordt over het algemeen aanbevolen.
Comfort grenstemperaturen
Je kunt dan een minimale en maximale comforttemperatuur invoeren voor de zone. 28°C is de gebruikelijke hoge waarde. Lage ongemakken kunnen worden genegeerd door het vakje “Alleen warme ongemakken” aan te vinken.
Merk op dat de comfortgrenzen opnieuw kunnen worden gedefinieerd in de overzichtstabellen met comfortresultaten na de simulatie.
Indicator berekeningsmethode Graden Uren
De indicator Graden Uren, afkomstig uit de RE 2020-verordening, is ook beschikbaar in DTS (dynamische thermische simulatie). Deze indicator, die op dezelfde manier wordt berekend als in de regelgeving, beoordeelt het verschil tussen de gebouwtemperatuur en een comforttemperatuur (een temperatuur die is aangepast aan de temperaturen van de voorgaande dagen, variërend tussen 26 en 28°C).
De waarde vertegenwoordigt het cumulatieve gewogen ongemak over het jaar.
De berekeningsmethode verschilt tussen tertiaire en residentiële gebouwen. Voor deze laatste gebouwen wordt geen rekening gehouden met het aanpassingscomfort tijdens de nacht en blijft de temperatuurgrens steken op 26°C.
De Graden Uren indicator wordt gebruikt om plafondventilatoren te waarderen. Als er luchtcirculatie is, wordt de hoge comfortgrens automatisch aangepast om rekening te houden met de luchtcirculatie in het plafond. De Tmax temperatuur moet daarom ongewijzigd blijven.
De luchtsnelheid wordt ontleend aan de “Zomerluchtsnelheid” die is ingevoerd in de zones. Deze kan direct worden gewijzigd in de tabel in figuur 12 hieronder om de indicatoren opnieuw te berekenen.
Zomerse” luchtsnelheid
Deze luchtsnelheid wordt gebruikt om het aantal Graden Uren en de aanvaardbare binnentemperatuur in niet-geconditioneerde ruimten (EN 15251) tijdens de zomerperiode te beoordelen. De tool kan alleen worden ingevoerd in stappen van 0,5 m/s.
De luchtsnelheid varieert afhankelijk van het type ventilator (met of zonder bladen) en de positie van de bewoner in een bepaald volume.
Het is in dit stadium dat luchtsnelheidsbeelden hun relevantie tonen.
Om de bovenstaande afbeeldingen zo goed mogelijk te kunnen gebruiken, volgen hier de geschatte hoogtes van de verschillende delen van het menselijk lichaam in zittende positie:
| Lichaamsdeel | Hoofd | Buste | Riem | Deuvels |
|---|---|---|---|---|
| Hoogte (m) | 1,40 | 1,00 | 0,60 | 0,10 |
Er moet ook worden opgemerkt dat de luchtsnelheid afneemt door de aanwezigheid van meubilair. Tijdens een meetcampagne op een onderwijslocatie hebben we bijvoorbeeld een verlaging van de gemiddelde luchtsnelheid met 25% waargenomen in aanwezigheid van schoolmeubilair, wat een idee geeft van het effect.
De nabijheid van de plafondventilator, de aanwezigheid van meubilair en de positie van gebruikers zijn allemaal variabele factoren, waardoor de luchtsnelheid niet uniform is in de hele zone.
Het gaat er dus om een benadering van de snelheid te nemen die geldig is voor de meeste inzittenden.
Het is de luchtsnelheid bij maximale stroomsnelheid die moet worden ingevoerd onder de rubriek “luchtsnelheid boven 25°C”. Onze ervaring leert ons echter dat een snelheid van meer dan 1 m/s buiten laboratoria erg optimistisch lijkt.
Bovendien blijkt uit het BRASSE-programma[ii] dat de gunstige invloed van de luchtsnelheid resulteert in een koeleffect van 1,5°C vanaf 0,2 m/s.
Een goed indelingsplan[iii], is essentieel, met voldoende plafondventilatoren zodat alle bewoners de luchtsnelheid kunnen krijgen die ze nodig hebben.
Hier zijn onze metingen van de gemiddelde luchtsnelheid, op 5 punten, op 3 verschillende hoogtes (hoofd, borst, middel), in een gesloten kamer zonder meubels.
| Gemeten luchtsnelheid (m/s) | Gesloten volume (slaapkamer), indelingsplan 1 brouwer/12 m² Kamer zonder meubels |
|---|---|
| Exhale (zonder bladen) | 0,65 |
| Samarat (monoblok met drie bladen) | 0,80 |
Metabolisme en luchtsnelheid
De stofwisselingssnelheid (MET) komt overeen met de activiteit van de bewoners: de keuzemogelijkheden worden weergegeven in figuur 9, en elk niveau van stofwisselingsactiviteit komt overeen met een waarde. Voor een kantoormedewerker wordt “zittend rusten” gekozen, MET=1. Voor een leraar kiezen we “lichte staande activiteit”, MET=1,6. De toename van de MET-waarde weerspiegelt de energie-uitgaven van het lichaam, dat daarom zal moeten afkoelen.
Dit is bijvoorbeeld het doel van een luchtblazer speciaal voor leraren, verticaal geïnstalleerd boven hun werkplekken.
De luchtsnelheid wordt ook ingevoerd in dit algemene gedeelte. Dit is een jaarlijkse basiswaarde, niet de zomerse luchtsnelheid, daarom raden we een waarde tussen 0 en 0,1 aan.
In het stookseizoen houdt Pleiaden geen rekening met de voordelen van plafondventilatoren op het vlak van destratificatie en energiebesparing. Daarom behandelen we het winterseizoen niet en concentreren we ons op het zomerseizoen.
Kleding voor het berekenen van PPD/PMV-indicatoren
De waarde die voor kleding moet worden gebruikt, moet gebaseerd zijn op de gebruikelijke gebruiken in de betreffende ruimte. Het spreekt voor zich dat hoe lichter je gekleed bent, hoe gemakkelijker je hoge temperaturen kunt weerstaan zonder je toevlucht te nemen tot airconditioning.
Het is mogelijk om dingen verder te verfijnen door te spelen met de modulatie van kleding voor dezelfde zone, d.w.z. bewoners kunnen lagen kleding toevoegen of verwijderen binnen hetzelfde seizoen.
Thermische comfort diagrammen
Zodra deze parameters zijn ingesteld, moet je de berekeningen uitvoeren en vervolgens “Comfort” kiezen in het vervolgkeuzemenu boven aan het resultatenoverzicht.
Dit overzicht geeft toegang tot alle comfortindicatoren.
Uren van ongemak
De bovenstaande tabel toont per zone de uren met ongemak en het percentage van de tijd met ongemak onder de lage limiet en boven de hoge limiet. Deze grenzen kunnen direct in de tabel worden gewijzigd om de indicatoren opnieuw te berekenen.
Givoni diagram
Deze visual toont de zones voor thermisch comfort in de zomer, rekening houdend met temperatuur, luchtsnelheid en vochtigheid.
Omdat het zo duidelijk en didactisch is, is dit diagram een groot succes, vooral bij projecteigenaren.
Het houdt echter geen rekening met de specifieke reactie van elk individu op een bepaalde thermische en hygrometrische context. Bovendien houdt het geen rekening met de geleidelijke aanpassing van het menselijk lichaam aan temperaturen, noch met de dynamiek van de aanpassing.
Adaptief comfort
Hieronder staan de grenzen van de zones gedefinieerd volgens de omgevingscategorie (in dit geval categorie II). Punten buiten deze grenzen komen overeen met uren van ongemak. Hier liggen alle punten onder de bovengrens.
Onder zomerse comfortomstandigheden (binnentemperatuur > 25 °C) en wanneer er luchtvermenging is, in overeenstemming met de norm (onderdeel adaptief comfort), worden de bovengrenzen van de onderstaande grafiek met enkele graden verhoogd.
PMV/PPD
Zomer PMV/PPD berekeningen zijn uitsluitend van toepassing op ruimten met airconditioning tijdens het zomerseizoen (en op alle verwarmde ruimten in de winter). Deze concepten voor het beoordelen van thermisch comfort worden beschreven in het artikel dat in de inleiding wordt aanbevolen.
De PMV/PPD-visual hieronder komt alleen overeen met de airconditioningperiode. Tijdens dit seizoen wordt de blauwe grens van 10% ontevredenheid (linker schaal) praktisch nooit overschreden. Er wordt geen rekening gehouden met de eventuele luchtsnelheid die door de plafondventilatoren wordt geleverd.
Op dezelfde manier werden de rode grenzen voor de gemiddelde stemming op 0,5 (rechter schaal) vrijwel nooit overschreden tijdens de periode. Ter herinnering: +1 komt overeen met “enigszins warm”, -1 met “enigszins koud”.
Airconditioning en plafondventilatoren koppelen: energiebesparing integreren
Wanneer airconditioning en plafondventilatoren worden gecombineerd, is het mogelijk om de besparingen in verbruik te schatten met behulp van de SED-berekening van verbruik met systemen.
In een eerste simulatie zal de verwarmingsingenieur dus een standaardberekening met airconditioning uitvoeren. In een tweede berekening zal hij :
- het instelpunt van de airconditioning verhogen (bijvoorbeeld tot 28°C), rekening houdend met de temperatuurstijging door het gebruik van plafondventilatoren. Het diagram in de gids Ventilation Woods” kan als leidraad worden gebruikt (zie ons artikel over thermisch comfort in de zomer).
- Verkorting van de airconditioningperiode, rekening houdend met de impact van ventilatoren in het tussenseizoen.
DTS (dynamische thermische simulatie) met Pleaides: naar een nog effectiever hulpmiddel?
De module DTS van Pleaides wordt terecht gewaardeerd voor het oplossen van problemen met zomercomfort. De module is gebaseerd op erkende normen, toont belangrijke waarden (aantal uren ongemak), maakt het mogelijk rekening te houden met plafondventilatoren, vergemakkelijkt het bioklimatologisch ontwerp van het gebouw, enz.
Daar houdt het verhaal echter niet op en we geloven dat er in toekomstige edities van de software verbeteringen kunnen worden aangebracht om het gebruik van plafondventilatoren te optimaliseren:
- opname van de Europese norm EN 16798, die EN 15251 vervangt;
- integratie van de Amerikaanse norm ASHRAE 55-2020 ;
- als gevolg daarvan een breder bereik van mogelijke luchtsnelheden in de zomer;
- grafieken bij te werken, bijvoorbeeld door gebruik te maken van het open-source werk van het Centre for the Built Environment van de University of California, Berkeley (PMV en Adaptive Comfort).
- energiebesparing door destratificatie in de winter (bijna 30% in hoogbouw).
Kortom, het gebruik van DTS om het ontwerp van gebouwen te verbeteren, vooral met het oog op hoge zomertemperaturen, biedt uitstekende vooruitzichten.
[i] De norm NF EN 15251 is nu vervangen door de norm NF EN 16798 (Energieprestatie van gebouwen).
Opgemerkt moet worden dat deze normen minder regelmatig evolueren dan hun Amerikaanse equivalent, l’ASHRAE 55-2020, die vandaag de dag als de meest relevante wordt beschouwd.
We hebben deze twee normen eerder gepresenteerd in het artikel “Thermisch comfort in de zomer en luchtverplaatsers: kunnen we ons gevoel kwantificeren?“
[ii] Dit onderzoeksprogramma, dat wordt ondersteund door het Franse agentschap voor milieu en energiebeheer (ADEME), wordt uitgevoerd door een consortium bestaande uit Surya consultants, de projectleider (ontwerp, onderzoek en ontwikkeling/thermisch-energie-milieu-modelleringsbureau); LASA (particulier akoestisch laboratorium); ISEA (onafhankelijk sofioloog); Laboratoire PIMENT – Université publique de la Réunion (huisvesting en thermische engineering); Laboratoire Eiffel aérodynamique, een dochteronderneming van de CSTB-groep (aerodynamica-experiment); EnvirobatBDM : (kenniscentrum en mediterrane benadering van duurzaam bouwen). Dit programma is een winnaar van de 2020 Responsible Buildings oproep voor onderzoeksprojecten.
[iii] Het indelingsplan wordt hier behandeld: Luchtcirculatie-eenheden: wat zijn de indelingsplannen?